淺析揮發性有機廢氣治理技術

劉 媛，王鴦鴦，楊 威

（1.中國環境保護產業協會，北京 100037；2.北京理工大學，北京 100081）

淺析揮發性有機廢氣治理技術

劉 媛1，王鴦鴦1，楊 威2

（1.中國環境保護產業協會，北京 100037；2.北京理工大學，北京 100081）

揮發性有機廢氣會對環境和人類產生嚴重危害，已成為我國環境保護工作的重點之一。本文闡述了揮發性有機物的來源及危害，并具體介紹了目前處理揮發性有機物的基本方法，如吸附法、吸收法、冷凝法、燃燒法、生物法等。

揮發性有機物;廢氣;治理技術

為解決日益嚴重的灰霾和光化學煙霧等區域性大氣污染問題，減少對公眾健康的影響，國務院辦公廳于2010年5月轉發了《關于推進大氣污染聯防聯控工作改善區域空氣質量的指導意見》（國辦發〔2010〕33號）（以下簡稱“指導意見”）?！爸笇б庖姟睆娬{，國內外的成功經驗表明，解決區域大氣污染問題，必須盡早采取區域聯防聯控措施，控制揮發性有機物、氮氧化物等重點污染物。目前，環境保護部正在根據“指導意見”要求制定《重點區域大氣污染防治規劃（2011-2015年）》，其中明確提出近期要全面展開重點區域的揮發性有機物污染防治工作，把揮發性有機物污染控制作為建設項目環境影響評價的重要內容。隨著這些文件的頒布，揮發性有機物污染防治在環境管理中的重要性逐步凸顯，引起了越來越廣泛的社會關注。

1 揮發性有機物及其危害

揮發性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是對一大類物質的統稱，通常是指沸點在50℃至260℃之間、室溫下飽和蒸氣壓超過71Pa的有機物。由于VOCs種類繁多，導致揮發性有機廢氣的類型也多種多樣、組成復雜。有機廢氣中經常碰到的VOCs有烴類（烷烴、烯烴和芳烴）、酮類、酯類、醇類、酚類、醛類、胺類、腈（氰）類等（見表1）。其中，工業排放量最大的物質為三苯類（苯、甲苯、二甲苯）和鹵代烴類，三苯物質和鹵代烴同時也是高毒性的物質。

表1 常見VOCs污染物分類

VOCs對環境的危害主要包括：

（1）大多數VOCs有毒、有惡臭，一部分VOCs有致癌性，如氯乙烯、苯、多環芳烴、甲醛等；

（2）多數VOCs易燃易爆，對生產企業存在不安全性；

（3）在陽光照射下，大氣中的氮氧化合物、碳氫化合物與氧化劑發生光化學反應，生成光化學煙霧，產生的二次污染對人類健康造成更大的危害；

（4）鹵烴類VOCs可破壞臭氧層，如氯氟碳化物（CFCs）；

（5）揮發性有機化合物中的芳香烴（如：二甲苯、甲苯等）及含氧碳氫化合物（如：乙醇、酮、酯等）由于揮發性較大，易擴散在大氣中，嚴重污染環境和影響人體健康。

此外，VOCs的污染范圍不僅僅局限在一個城市或國家內，隨著它的擴散與遷移，可以引起包括酸雨、臭氧層破壞、大氣變暖等全球環境問題，具有跨國性和全球性[1、2]。因此，VOCs被視為繼粉塵之后的第二大類量大面廣的大氣污染物，VOCs的凈化治理也逐步成為了大氣污染治理中非常重要的一部分[3]。

2 VOCs的來源

大氣中VOCs分為天然源和人為源。但通常人們關注的大氣中VOCs主要來自人為污染源：即生產過程的排放。這些生產過程包括石化廠、煉油廠及在生產過程中大量使用有機溶劑的相關行業，如涂料生產、涂裝、印刷、制藥、皮革加工、樹脂加工等。VOCs主要來源如表2所示。

表2 VOCs污染物主要來源

3 有機廢氣處理技術

為了有效控制及解決VOCs對人類和環境的影響，減少VOCs帶來的損失，尋求有效的VOCs治理技術已迫在眉睫。造成大氣復合污染的四大類物質包括SOx、NOx、VOCs和顆粒物。與SOx、NOx及顆粒物相比，VOCs的組成最為復雜，這就決定了對VOCs的治理不能采用單一的凈化技術，需要根據污染物的性質和排放特點來選擇不同的凈化技術進行治理。

目前，可以將VOCs治理技術分為兩大類：回收法和分解法（如下圖所示[4-7]）。

VOCs治理技術示意圖

3.1 吸附法

吸附法是利用各種固體吸附劑（如活性炭、活性碳纖維、分子篩等）對排放廢氣中的污染物進行吸附凈化的方法。吸附法設備簡單、適用范圍廣、凈化效率高，是一種傳統的廢氣治理技術，也是目前應用最廣的治理技術。與其它方法相比，該方法具有處理效率高、吸附物質可回收、能耗低、工藝成熟、易于推廣使用的優點，具有很好的環境和經濟效益。缺點是處理設備龐大、流程復雜，當廢氣中有膠類物質或其它雜質時，吸附劑易失效，且失效后的吸附劑會造成一定的環境污染。

3.2 吸收法

吸收法是采用低揮發或不揮發液體為吸收劑，通過吸收裝置利用廢氣中各種組分在吸收劑中的溶解度或化學反應特性的差異，使廢氣中的有害組分被吸收劑吸收，從而達到凈化廢氣的目的。該方法適用于濃度較高、溫度較低和壓力較大情況下氣相污染物的處理，在油氣回收、漆霧凈化等領域都有較廣泛的應用。但該法存在后處理過程復雜以及二次污染等問題[8]，因而應用范圍受到很大限制，目前應用較少。

3.3 冷凝法

冷凝法是利用物質在不同溫度下具有不同飽和蒸氣壓的性質，采用降低系統溫度或提高系統壓力，使處于蒸氣狀態的污染物從廢氣中冷凝分離出來的過程。該方法適用于高濃度有機溶劑蒸氣的凈化，經過冷凝后的尾氣仍然含有一定濃度的有機物，需進行二次低濃度尾氣治理。冷凝法常用來回收VOCs中有價值的組分，實現資源化利用。在實際應用中，常將該方法與吸附法或焚燒法聯合使用，以降低設備的運行條件和運行成本[9]。

3.4 膜分離技術

膜分離技術是利用天然或人工合成的膜材料來分離污染物的過程，是一種新型高效的分離方法，具有流程簡單、能耗小、無二次污染等特點。20世紀80年代后，膜分離技術廣泛應用于海水淡化、食品工業、生物化工及化學化工等領域的液相分離和VOCs的回收，還用于石油化工中乙烷蒸氣、甲苯、二氯甲烷、氯乙烯等的分離與回收?？梢曰厥盏腣OCs包括脂肪類和芳香族碳氫化合物、含氯溶劑、酮、醛、腈、醇、胺、酸等[10]。

3.5 燃燒法

燃燒法是利用有機氣相污染物易燃燒的性質進行處理的一種方法。包括直接燃燒法和催化燃燒法。直接燃燒法是一種把可燃的有機氣相污染物當作燃料來燃燒的方法，該方法適合處理高濃度有機氣相污染物，燃燒溫度控制在1100℃以上，去除效率達95%以上；催化燃燒法是一種利用類似熱氧化的方式來處理有機氣相污染物的方法，其凈化有機物是用鉑、鈀等貴金屬催化劑及過渡金屬氧化物催化劑來代替火焰，操作溫度較熱氧化低一半，通常為250℃～500℃。

3.6 生物法

生物法是一種經濟有效、環境友好的VOCs治理方法，主要適合于低濃度、大氣量且宜生物降解的有機廢氣治理。其是利用微生物生命體的新陳代謝作用將污染物轉化成無害簡單的無機物和細胞質。由于具有處理成本低、無二次污染、綠色環保等諸多優點，近年來，在國內外得到了迅速發展。隨著生物菌落和各種填料開發不斷取得突破，生物法在今后將會成為有機廢氣治理的主要技術之一。

3.7 電暈法

電暈法處理VOCs的原理是通過陡峭、脈沖窄的高壓電暈，在常溫下獲得非平衡態VOCs離子體，即產生大量的高能電子或高能電子激發產生的O、OH、N等活性粒子，并且還可以產生臭氧，各種活性粒子和臭氧會與VOCs發生化學反應，破壞VOCs分子中的C-C、C-O或C-H等化學鍵，由于O、OH基及臭氧具有強氧化能力，結果使C、H分解氧化產生CO2和H2O[11]。由于反應器長時間操作存在穩定性和催化效率降低等原因，該方法目前還未能實用化和商業化。

3.8 光催化法

光催化法主要是利用光催化劑（如TiO2）的光催化性，氧化吸附在催化劑表面的VOCs。利用特定波長的光（通常為紫外光）照射TiO2光催化劑，激發出“電子—空穴”（一種高能粒子）對，這種“電子—空穴”對與水、氧發生化學反應，產生具有極強氧化能力的自由基活性物質，將吸附在催化劑表面上的有機物氧化為CO2和H2O等無毒無害物質。環境中主要應用于廢水凈化處理，在有機廢氣污染物治理方面，由于其存在反應速率慢、光子效率低等缺點，應用還不廣泛。

3.9 等離子體技術

等離子體技術是近年來發展起來的廢氣治理新技術，屬低濃度VOCs治理的前沿技術。其方法是利用高能電子射線激活、電離、裂解廢氣中各組分，從而發生氧化等一系列復雜化學反應，將有害物轉化為無害物或將有用的副產物加以回收。等離子體技術對于臭味的凈化具有良好的效果，并且在橡膠廢氣、食品加工廢氣等的除臭中得到了應用。

4 結語

由于VOCs的種類繁多，性質各異，排放狀況多樣，因此對于VOCs處理方法的選擇也不盡相同。需要充分了解不同治理技術的特點及其有效的使用范圍，對于特定的含VOCs的廢氣的治理，要從技術上和經濟上進行綜合評估，以實現最佳的治理效果。

[1]李琳，劉俊新． 揮發性有機污染物與惡臭的生物處理技術及其工藝選擇[J]． 環境污染治理技術與設備，2001，2（5）：41-47．

[2]Faisal I． Khan， Aloke Kr． Ghoshal． Review-Removal of volatile organic compounds from polluted air． J Loss Prevention in the Process Indurtries．2000， 13：527-545．

[3]魏在山．生物膜填料塔凈化有機廢氣的工業應用研究[D]．昆明：昆明理工大學，2000．

[4]Devinny J S，Deshusses M A，Webster T S．Biofiltration for air pollution control．Boca Raton，1999．

[5]USEPA．EPA air pollution control cost manual． Sixth edition．EPA/452/B-02-001．2002．

[6]Khan F I．，Ghoshal A K．Removal of volatile organic compounds from polluted air．J．Loss Prevent．Proc．2000，13（6）：527-529．

[7]Engleman V S．Updates on choices of appropriate technology for control of VOC emissions．J．Metal Finishing，2000，98（6）：433-445．

[8]Spadavecchia J，Ciccarella G，Rella R．Optical characterization and analysis of the gas/surface adsorption phenomena on phthalocyanines thin films for gas sensing application． Sensors Actuat．B-Chem．，2005，106（1）：212-220．

[9]Parthasarathy G，El-Halwagi M M．Optimum mass integration strategies for condensation and allocation of multicomponent VOCs．Chem．Eng．Sci．，2000，55（5）：881-895．

[10]Wang C，Lin S，Chen C，Weng H．Performance of the supported copper oxidecatalysts for the catalytic incineration of aromatic hydrocarbons Chemosphere，2006，64（3）：503-509．

[11]Wang X，Koyama Y，Wada Y，Sasaki S，et al．A dye-sensitized solar cell using pheophytin-carotenoid adduct：Enhancement of photocurrent by electron and singlet-energy transfer and by suppression of singlet-triplet annihilation due to the presence of the carotenoid moiety．Chem．Phys．Lett．，2007，in Press．

Brief Discussion on Treatment Technology of Waste Volatile Organic Compounds

LIU Yuan1, WANG Yang-yang1, YANG Wei2
(1.China Association of Environmental Protection Industry, Beijing 100037;2.Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Volatile organic compounds is one kind of waste gas causing harm to environment and the human body, and it has been concerned specially. This paper expounds the sources and hazards of volatile organic compounds, and the basic methods in treatment of VOCs, such as adsorbent method, absorption method, condensation method, combustion method and biological method, etc.

volatile organic compounds; waste gas; treatment technology

X701

A

1006-5377（2012）11-0040-04